(57)【要約】【課題】ラジエータを備えた燃料電池システムにおいて、相転移により固体化した過冷却物質を確実に液体に戻すことを可能とする。【解決手段】燃料電池スタック１０の内部を管路の一部とし、その管路の途中にラジエータ２１を備える循環冷却系２３が設けられており、循環冷却系２３には過冷却物質Ｍが循環する。トリガ２５を作動させることで、過冷却物質Ｍを液体から固体に相転移させることができ、これにより燃料電池スタック１０を加熱することができる。そして、循環冷却系２３における燃料電池スタック１０の外側の管路部分に設けられたヒータ２６を作動させることで、固体化した循環冷却系２３を確実に液体に戻すことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックを備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックの内部に設けられた内部管路と前記燃料電池スタックに外部から接続する外部管路からなり、前記外部管路の途中にラジエータを備える冷却系に過冷却物質を循環させることにより、前記燃料電池スタックを冷却する冷却手段と、
前記過冷却物質を液体から固体に相転移させることにより、前記燃料電池スタックを加熱する相転移手段と、
前記冷却系における前記外部管路を加熱して、前記相転移手段により固体に相転移された前記過冷却物質を液体に戻す相復帰手段と
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記相復帰手段は、
前記冷却系における前記外部管路に設けられた発熱手段
を備える燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記発熱手段は、
前記外部管路の全体にわたって設けられた構成である
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記発熱手段は、
前記ラジエータ内の管路部分に設けられた構成である
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記過冷却物質が固体であるか液体であるかを判定する判定手段
を備え、
前記相復帰手段は、
前記相転移手段を作動させた後、前記判定手段により前記過冷却物質が固体であると判定されたときに、前記加熱を行なう加熱制御手段
を備える燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムであって、
前記判定手段は、
前記ラジエータ内の管路部分を流れる前記過冷却物質の温度を検出する温度検出手段と、
前記検出された温度に基づいて前記判定を行なう手段と
を備える燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と酸素の供給を受けて発電を行なう燃料電池スタックを備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、二次電池を備えたシステムとして、二次電池を過冷却物質で取り囲んで、過冷却物質を液体から固体に相転移させることにより二次電池を加熱する構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この構成によれば、低温時に、二次電池を急速に加熱することができる。また、特許文献１には、二次電池と過冷却物質を収容する容器の近傍にヒータを設けることで、相転移により固体化した過冷却物質を液体に戻すことを可能とした構成が開示されている。
【０００３】
さらに、特許文献１には、ラジエータを備え、容器に収容された過冷却物質をラジエータに循環させることにより、高負荷時の二次電池の冷却を可能とした構成が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１４１９２９号公報
【０００５】
しかしながら、前記従来の技術では、例え前記容器近傍にヒータを設けたとしても、ラジエータによって過冷却物質が冷却されることから、ラジエータ周辺の固体化した過冷却物質を液体に戻すことは適わなかった。このために、二次電池を起動させた後の二次電池の冷却性能が劣るといった問題があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、ラジエータを備えた燃料電池システムにおいて、相転移により固体化した過冷却物質を確実に液体に戻すことを可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、
燃料電池スタックを備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックの内部に設けられた内部管路と前記燃料電池スタックに外部から接続する外部管路からなり、前記外部管路の途中にラジエータを備える冷却系に過冷却物質を循環させることにより、前記燃料電池スタックを冷却する冷却手段と、
前記過冷却物質を液体から固体に相転移させることにより、前記燃料電池スタックを加熱する相転移手段と、
前記冷却系における前記外部管路を加熱して、前記相転移手段により固体に相転移された前記過冷却物質を液体に戻す相復帰手段と
を備えることを要旨とする。
【０００８】
この構成の本発明の燃料電池システムによれば、相復帰手段により前記冷却系における前記外部管路が加熱されることから、燃料電池スタックよりもラジエータ側の管路部分が加熱されることになる。このため、ラジエータ周辺を十分に暖めることができることから、ラジエータにより冷却がなされたとしても、相転移手段により固体に相転移された過冷却物質を確実に液体に戻すことができる。したがって、燃料電池スタックを起動させた後の燃料電池スタックの冷却性能の劣化を防止することができる。
【０００９】
前記相復帰手段は、前記冷却系における前記外部管路に設けられた発熱手段を備える構成としてもよい。この構成によれば、発熱手段により、燃料電池スタックに外部から接続する外部管路を確実に加熱することができる。
【００１０】
前記発熱手段は、前記外部管路の全体にわたって設けられた構成としてもよい。この構成によれば、外部管路の加熱を十分に行なうことができる。
【００１１】
前記発熱手段は、前記ラジエータ内の管路部分に設けられた構成としてもよい。この構成によれば、最もラジエータ側を加熱することができることから、ラジエータ周辺の加熱を確実なものとすることができる。
【００１２】
上記構成の本発明の燃料電池システムにおいて、前記過冷却物質が固体であるか液体であるかを判定する判定手段を備え、前記相復帰手段は、前記相転移手段を作動させた後、前記判定手段により前記過冷却物質が固体であると判定されたときに、前記加熱を行なう加熱制御手段を備える構成としてもよい。この構成によれば、過冷却物質が固体であるときに限って加熱を行なうことができることから、無駄なエネルギ消費を回避することができる。
【００１３】
前記判定手段は、前記ラジエータ内の管路部分を流れる前記過冷却物質の温度を検出する温度検出手段と、前記検出された温度に基づいて前記判定を行なう手段とを備える構成としてもよい。この構成によれば、最も冷却されるラジエータ部分の過冷却物質の温度に基づいて発熱手段を作動させることができることから、過冷却物質を液体に戻す制御を高速かつ正確に行なうことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．全体の構成：
Ｂ．制御処理：
Ｃ．作用・効果：
Ｄ．他の実施形態：
【００１５】
Ａ．全体の構成
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システムの構成を示す説明図である。この燃料電池システムは、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０を冷却するための冷却装置（冷却システム）２０と、制御ユニット３０とを備えている。
【００１６】
燃料電池スタック１０は、電解質と空気極と水素極とを有する単セルをセパレータで連結しながら複数積層した公知のものであり、この実施例では、固体高分子型の燃料電池が用いられている。
【００１７】
冷却装置２０は、ラジエータ２１と、ラジエータファン２２と、冷却媒体を循環させる循環冷却系２３と、循環冷却系２３に設けられた冷却ポンプ２４とにより構成される。ラジエータ２１は、ラジエータファン２２により取り込んだ外気により冷却を行なう熱交換器である。
【００１８】
循環冷却系２３は、ラジエータ２１に接続されるとともに、燃料電池スタック１０の内部に設けられた冷却通路（例えば、セパレータに形成された冷却媒体用通路）に接続されており、ラジエータ２１と燃料電池スタック１０との間を結ぶ循環した管路を形成する。すなわち、循環冷却系２３は、燃料電池スタック１０の内部に設けられた冷却通路を内部管路として、この内部管路と燃料電池スタック１０に外部から接続する外部管路からなり、その外部管路の途中にラジエータ２１が備えられた構成をしている。循環冷却系２３には冷却媒体として過冷却物質Ｍが封入されており、冷却ポンプ２４の吐出圧力を受けて、過冷却物質Ｍはラジエータ２１と燃料電池スタック１０との間を循環する。
【００１９】
過冷却物質Ｍは、高温側から冷却したときに凝固点を過ぎても液体のままの状態を保つことができる物質であり、この実施例では、凝固点が常温付近の温度の物質を用いている。過冷却物質Ｍの凝固点が常温付近であれば、常温近くまで燃料電池スタック１０を加熱でき、燃料電池スタック１０の十分な性能を引き出すことができる。この過冷却物質Ｍとしては、ここでは、酢酸ナトリウム三水和物が用いられている。なお、過冷却物質Ｍは、酢酸ナトリウムまたは酢酸ナトリウムの他の混合物とすることもできる。また、酸化オスミニウム、Ｌ−メントール、硝酸カルシウム、チオ硫酸ナトリム五水和物、白リン、セタノール、バラフィン、はんだ等に換えることもできる。さらに、これらの物質に限定されるものではなく、過冷却物質であればどのようなものに換えることもできる。
【００２０】
循環冷却系２３における前記内部管路、すなわち燃料電池スタック１０の内部に設けられた冷却通路には、複数（この実施例では、５つ）のトリガ２５が設けられている。トリガ２５は、過冷却状態になっている過冷却物質Ｍに衝撃を付与することによって、過冷却となっている過冷却物質の結晶化を促す装置であり、この実施例では、超音波を発する超音波ホーンよって構成されている。過冷却物質Ｍは結晶核を生じさせるための活性化エネルギが与えられることによって結晶化が起こるもので、本実施例では超音波によって活性化エネルギを与えている。なお、超音波に換えて、電気的なエネルギ等、他の手段によって活性化エネルギを与える構成に換えることができる。
【００２１】
一方、循環冷却系２３における燃料電池スタック１０の外側の管路部分の全体、すなわち、循環冷却系２３の管路全体から燃料電池スタック１０の内部の冷却通路の部分を除いた管路部分、すなわち前述した外部管路の全体には、ヒータ２６が設けられている。換言すれば、ヒータ２６は、循環冷却系２３における燃料電池スタック１０とラジエータ２１の間の管路部分と、そのラジエータ２１の内部の管路部分との全体にわたって設けられている。
【００２２】
ヒータ２６は、電気ヒータであり、トリガ２５の衝撃を受けて凝固化して固体になっている過冷却物質Ｍを加熱して、固体から液体に相転移させるために用いられる。具体的には、この実施例では、シリコンラバーヒータが用いられている。シリコンラバーヒータに換えて、リボンヒータ等、他の電気ヒータに換えることができる。
【００２３】
燃料電池スタック１０には、冷却通路を流れる過冷却物質Ｍの温度を検出する第１の温度センサ４１が設けられている。また、ラジエータ２１には、管路を流れる過冷却物質Ｍの温度を検出する第２の温度センサ４２が設けられている。なお、第１の温度センサ４１は、循環冷却系２３における燃料電池スタック１０内の管路部分（冷却通路）であれば、いずれの位置に設けてもよい。第２の温度センサ４２は、循環冷却系２３におけるラジエータ２１内の管路部分であれば、いずれの位置に設けてもよい。なお、第１，第２の温度センサ４１，４２としては、過冷却物質Ｍの温度が検出できるものであればどのような種類の温度センサを用いてもよい。
【００２４】
第１および第２の温度センサ４１，４２で検出された温度Ｔ１，Ｔ２は、制御ユニット３０に送られる。また、制御ユニット３０は、冷却ポンプ２４、トリガ２５およびヒータ２６にそれぞれ電気的に接続されており、これらの動作を制御する。
【００２５】
制御ユニット３０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ（図示せず）等を備えた周知のマイクロコンピュータによって構成される。ＲＯＭには、燃料電池スタック１０の発電を制御する発電制御処理や、燃料電池スタック１０の温度を制御する温度制御処理を示す各種のコンピュータプログラムが予め格納されている。ＣＰＵは、ＲＡＭをワークエリアとして用いることにより上記コンピュータプログラムを実行する。なお、本実施例においてソフトウェア的に実現する機能はハードウェアによって実現するものとしてもよい。
【００２６】
Ｂ．制御処理：
図２は、制御ユニット３０により実行される温度制御処理を示すフローチャートである。この処理は、前記発電制御処理で燃料電池スタック１０の発電が開始された以後、所定時間毎に繰り返し実行される。
【００２７】
まず、制御ユニット３０のＣＰＵは、第１の温度センサ４１からの信号に基づいて、燃料電池スタック１０の冷却通路内の過冷却物質Ｍの温度Ｔ１を検出する（ステップＳ１１０）。以下、過冷却物質Ｍの温度を単に「物質温度」とも呼ぶ。次いで、その物質温度Ｔ１が第１の所定温度を下回るか否かを判定する（ステップＳ１２０）。第１の所定温度は、過冷却物質Ｍが過冷却状態になっていると判断することができる、例えば−５℃とした。なお、必ずしも−５℃である必要はなく、過冷却物質Ｍが過冷却状態になっていると判断することができればいずれの温度であってもよい。
【００２８】
ステップＳ１２０で、燃料電池スタック１０の冷却通路内の物質温度Ｔ１が第２の所定温度である−５℃を下回ったと判定された場合、ＣＰＵは、トリガ２５を作動させて、過冷却物質Ｍに向けて超音波を出力する（ステップＳ１３０）。この超音波によって過冷却状態となっていた過冷却物質Ｍに活性化エネルギが与えられ、生成された結晶核からきわめて高速に結晶化が進み、過冷却物質Ｍが液体から固体に相転移する。過冷却物質Ｍは過冷却状態の液体から通常の結晶化状態に移行する際、つまり相転移する際に、物質から発生する凝固潜熱が燃料電池スタック１０を暖めることになる。相転移はほぼ瞬時に起こるため、燃料電池スタック１０の温度は結晶化開始直後からすぐに過冷却物質Ｍの融点（＝凝固点）まで上昇する。
【００２９】
ステップＳ１３０の実行後、ステップＳ１４０に進む。なお、ステップＳ１２０で、燃料電池スタック１０の冷却通路内の物質温度Ｔ１が第２の所定温度である−５℃を下回っていないと判定された場合には、ステップＳ１３０を実行することなく、ステップＳ１４０に進む。ステップＳ１４０では、ＣＰＵは、第２の温度センサ４２からの信号に基づいて、ラジエータ２１内の物質温度Ｔ２を検出する。次いで、その物質温度Ｔ２が第２の所定温度を下回るか否かを判定する（ステップＳ１５０）。第２の所定温度は、過冷却物質Ｍの融点に基づいて予め定めたもので、過冷却物質Ｍが例えば酢酸ナトリウム三水和物である場合には、融点が５８℃であることから若干の余裕を持たせて６０℃とした。なお、第２の所定温度は、過冷却物質Ｍの融点と正確に一致してもよい。
【００３０】
ステップＳ１５０で、ラジエータ２１内の物質温度Ｔ２が第２の所定温度である６０℃を下回ったと判定された場合、ＣＰＵは、ヒータ２６を通電して、過冷却物質Ｍを加熱する（ステップＳ１６０）。ステップＳ１６０の実行後、ステップＳ１４０に処理を戻してステップＳ１４０ないしＳ１５０の処理を繰り返し実行する。
【００３１】
過冷却物質Ｍが加熱されると、ラジエータ２１内の物質温度Ｔ２は徐々に上昇することから、やがて、ステップＳ１５０で、ラジエータ２１内の物質温度Ｔ２が第２の所定温度である６０℃を下回っていないと判定され、ステップＳ１７０に処理を進める。ステップＳ１７０では、ヒータ２６の通電を遮断する処理を行なう。その後、「リターン」に抜けてこの温度制御処理を一旦終了する。
【００３２】
Ｃ．作用・効果：
以上のように構成された本実施例の燃料電池システムによれば、循環冷却系２３における燃料電池スタック１０の外側の管路部分にヒータ２６が設けられていることから、燃料電池スタック１０よりもラジエータ２１側の管路部分が加熱される。このため、ラジエータ２１周辺を十分に暖めることができることから、ラジエータ２１により冷却がなされたとしても、トリガ２５により固体に相転移された過冷却物質Ｍを確実に液体に戻すことができる。したがって、燃料電池スタック１０を起動させた後の燃料電池スタック１０の冷却性能の劣化を防止することができる。
【００３３】
また、この実施例では、トリガ２５を作動させるタイミングを決定する第１の温度センサ４１を燃料電池スタック１０内に設け、ヒータ２６を作動させるタイミングを決定する第２の温度センサ４２をラジエータ２１内に設けていることから、過冷却物質Ｍを相転移させる制御についての制御性を高めることができる。すなわち、第１の温度センサ４１を燃料電池スタック１０内に設けることで、燃料電池スタック１０を加熱する必要のあるときを確実に知ることができることから、燃料電池スタック１０の加熱を適切なタイミングで確実に行なうことができる。第２の温度センサ４２をラジエータ２１内に設けることで、最も冷却されるラジエータ部分の過冷却物質Ｍの温度に基づいてヒータ２６を作動させることができることから、相転移により固体化された過冷却物質Ｍを液体に戻す制御を高速かつ正確に行なうことができる。
【００３４】
Ｄ．他の実施形態：
以上、本発明の実施の形態について実施例に基づき説明したが、本発明は上述した実施例およびその変形例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができることはいうまでもない。例えば、以下に示すような変形が可能である。
【００３５】
（１）前記実施例では、循環冷却系２３における燃料電池スタック１０の外側の管路部分（すなわち外部管路）の全体にわたってヒータ２６が設けられているが、必ずしもその管路部分の全体にわたって設ける必要はない。図３は、この実施形態の一例を示す説明図である。図示するように、この例では、循環冷却系２３におけるラジエータ２１の内部の管路部分にヒータ１２６が設けられている。ヒータ１２６は、前記実施例のヒータ２６と同種のものである。この構成によれば、前記実施例よりも小さいヒータで、ラジエータ部分を確実に加熱することができる。なお、必ずしも図示のように、ヒータ１２６はラジエータ２１内の管路部分の全体に設けられている必要はなく、ラジエータ２１内の管路部分の一部分だけに設ける構成としてもよい。
【００３６】
さらに、図示はしないが、ヒータは、循環冷却系２３における燃料電池スタック１０とラジエータ２１の間の管路部分に設ける構成とすることもできる。この場合も、その管路部分の全体に必ずしも設ける必要はなく、その管路部分の一部分だけに設ける構成としてもよい。すなわち、本発明の発熱手段としてのヒータは、循環冷却系２３における燃料電池スタック１０の外側の管路部分であれば、いずれの位置に設ける構成とすることもできる。
【００３７】
（２）前記実施例では、第２の温度センサ４２により検出された物質温度Ｔ２が凝固点である第２の所定温度を下回っているか否かから、過冷却物質Ｍが固体であるか液体であるかを判定しているが、これに換えて、過冷却物質Ｍの光透過率を検出するセンサを設けて、その検出された光透過率に基づいて、過冷却物質Ｍが固体であるか液体であるかを判定する構成としてもよい。さらには、過冷却物質Ｍの光屈折率から求める等、様々な手法に換えることもできる。
【００３８】
（３）前記実施例では、燃料電池スタックは固体高分子型燃料電池としたが、固体酸化物型燃料電池やリン酸型燃料電池等、異なる種類の燃料電池に適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システムの構成を示す説明図である。
【図２】制御ユニット３０により実行される温度制御処理を示すフローチャートである。
【図３】他の実施形態を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０…燃料電池スタック
２０…冷却装置
２１…ラジエータ
２２…ラジエータファン
２３…循環冷却系
２４…冷却ポンプ
２５…トリガ
２６…ヒータ
３０…制御ユニット
４１…第１の温度センサ
４２…第２の温度センサ
１２６…ヒータ
Ｍ…過冷却物質
【図１】
2007299575.tif 000003
【図２】
2007299575.tif 000004
【図３】
2007299575.tif 000005